【基于物联网技术的家庭环境监测系统设计与实现（论文）11000字】

基于物联网技术的家庭环境监测系统设计与实现摘要：在科学技术快速发展的今天，越来越多的生活和工作领域都融入了物联网技术、信息管理技术。当下社会人们逐渐习惯了更加舒适和智能的居家生活环境，同时对居住环境的智能化提出了更高的要求。从上世纪90年代到如今，物联网技术从一开始在美国等发达国家开始逐渐向发展中国家发展，从诞生到发展再到在生活中应用增加，实现了一个飞速的发展进程。本文是基于现有物联网智能家居监控系统的基础上，设计了一种基于物联网的嵌入式室内环境监控系统（简称“智能家居”）。我的设计的主要目标有以下三个方面，其一是在使用者家中安装本监测系统后，对温度进行实时的监控。如果家中的温度超过限定温度时，触发警报并通过手机app及时提醒用户注意安全;其二是监测用户家中的干湿程度，一般是家中总体的干湿程度,细化分的话，也可以是用户家中种植的植物附近的干湿程度（用户可以自行设置或购买智能花盆浇水），亦或是家用电器附近（防触电），当超过或低于一定程度时,提醒用户;其三是通过监测家中某一气体的浓度,比如可燃气体等，当其超过安全浓度时向用户发送警报,提升家中的安全系数。本次设计以学校的UP-Magic210嵌入式平台为主要设备，以各类传感器模块为备用设备用来设计并实现一个系统，方便监测用户家庭内的环境，这次毕业设计让我能把大学四年学习的知识得以运用，让我更加熟悉了软硬件链接的有关操作，并了解了魔法师实验平台和部分传感器的情况。关键词：物联网工程；家庭环境；监测系统目录目录1引言 61.1 研究背景及意义 61.1.1研究背景 61.1.2系统的开发意义 61.2 国内外研究现状 71.2.1 国外研究现状 71.2.2 国内研究现状 71.3 研究内容及方法 81.3.1 研究内容 81.3.2 研发方法 81.4 系统开发技术路线 81.5 论文的组织结构 92系统开发架构及相关开发技术环境介绍 102.1系统软件架构概述 102.1.1MVP系统架构 102.1.2MVP架构应用实例介绍 112.2系统硬件及协议介绍 122.3系统开发相关技术介绍 142.3.1.开发语言 142.3.2.AndroidSDK： 142.3.3.SQLite数据库： 142.3.4.开发的工具： 143系统需求分析 163.1系统功能需求分析 163.2非功能性需求分析 163.3环境需求分析 173.3.1运行环境 173.3.2配置性能 173.3.3故障处理 174.1系统数据库表整体结构概述和设计 184.1.1数据库整体结构概念设计 184.2系统数据表分析与设计 184.2.1用户表分析与设计 184.2.2设备表的分析与设计 195系统功能模块设计与实现 205.1系统功能模块的设计 205.1.1登录注册功能模块 205.1.2系统设置功能模块 215.1.3设备监控模块 215.2系统功能模块的实现 215.2.1注册登录功能实现 215.2.2系统设置功能实现 235.2.3设备监控功能实现 246总结与展望 25参考文献 261引言研究背景及意义1.1.1研究背景在如今信息化时代，一方面智能家居系统已经涉及到生产生活的方方面面。而另一方面，国内居住环境的日益恶化，比方说沙尘暴、雾霾、室内装修使用不好的油漆导致有害气体残留等问题，这些都非常影响了家庭成员的生存安全、呼吸健康和舒适度。近年来基于物联网技术的智能家居，智慧交通，智慧城市等项目的兴起，使物联网技术迎来了全面发展的时代。物联网作为在现实生活与互联网的链接，其中安装有部分感知能力、处理能力和控制能力的各种终端感知设备，它借助网络完成信息交互、处理和协调工作，以便实现大规模的物与人、物与物之间的数据交换。其最终目标是借助物联网技术完成人与物、物与物、所有的物体之间的相互通信和交流，从而更加方便地进行识别、控制和管理等工作。它的有关技术在国防军工、工业控制、公共设施、医疗协助、智能电网、环境监测和智慧城市及交通等多方面具有非常大的发展前景。1.1.2系统的开发意义现实生活中有非常多的突发事故，通常突发事故给家庭成员的身心健康和财产安全带来了极大的挑战。如何预防此类突发事故成为困扰室内居住人员多年的难题，因此系统地建立并预防煤气中毒和家庭失火等突发型事故的室内居住环境监测系统成为当务之急。为了解决室内居住环境中的空气污染问题，可对引起空气污染的指标进行采集，这些指标主要包括可吸入颗粒物、甲醛、二氧化碳和苯系物等，可以通过室内居住环境监测系统对这些空气指标进行监测和预警，对物联网终端设备采集到的海量数据进行存储，以便能够实时监测影响室内居住环境指标，并对超标的指标进行预警。更重要的是对室内空气中的一氧化碳、甲烷等可燃性气体和烟雾进行采集，预防发生煤气中毒和家庭失火等突发事故，实时监控这些影响家庭成员安全的居住指标，并及时对这些超标的指标进行预警和报警。从而预防突发事故，保证室内居住人员人身财产安全。同时还可以进行温湿度、光照等数据的监测，为用户更加良好的居住环境提供便利。可以使用户在现有基础上获得更加完善地环境数据，生活更加舒心舒适。把物联网技术利用在室内居住环境监测系统领域中，方便获得实时、正确和变化中的监测信息，完成室内居住环境监测系统的网络智能控制。把物联网技术用于将现有的室内居住环境监测系统进行改进或升级，给人们的生活带来方便和利益，已成为物联网技术乃至整个信息时代发展的大趋势。国内外研究现状国外研究现状物联网技术应用于多个领域，家庭环境监测是其中一种经典的应用实例。使用各类型传感器感知外界数据，并通过接口将数据传输到客户端的一种有关技术因特尔的人员将多个传感器连入互联网，对细因州＂大鸭岛＂气候进行监测，第二年他们使用无入侵式和破坏式的方式完成了对敏感的野生动物及其栖息地安装监测系统并进行监测。课题研究借用Netframework的技术设计的系统客户端，从这方面看来，很大程度上加强了程序的安全，结果令人失望--并没有获得理想的野生动物的相关实时数据。韩国某所大学的一行人研发出了一种新型的检测软件，该软件有一个Web客户端，而且有无刷新的动态采集技术，把相关曲线的环境数据展现出来，这个软件的功能主要用Web端的申请模块、数据储存模块、数据保护模块来达到实时检测的目的。葡萄牙马德拉大学、英国的学者在葡萄牙萨洛蒂堡博物馆展览厅的适当位置部署传感器，利用无线网络通信技术设计对博物馆文物的环境安装监测系统，收集温度、湿度和光照强度指标等信息。在该监测系统的客户端能够实现历史数据的图形化显示，但不能对实时数据进行图形化显示。Won-SukJang,WilliamM.Healy等人将无线传感器网络应用到智能楼宇中，实现了楼宇环境的实时监控与报警功能。主要采用无线传感器节点对楼宇的通风状态、光照、空气质量等各项指祿进行采集组网，并将信息进巧持久化处理与存储，通过节点的历史信息来分析楼宇环境质量。国内研究现状国内对室内居住环境监测系统研究还停留在初级阶段，目前室内居住环境监测系统应用普及率不高。中国一些学者提出了采用物联网检测技术的室内环境指标参数监测系统，该系统将GPRS无线网络应用于室内环境指标监测系统，但没有系统地分析物联网用于室内环境参数监测系统。考虑到目前主要的监测方法是有线传输数据进行监测，还有人研究了物联网技术领域内的室内环境参数在线监测系统平台，以及物联网技术的ZigBee无线网络，利用通信网络提供室内环境监测服务，但并没有将物联网和云存储技术用于室内环境在线监测系统技术，也没有讨论室内环境参数与室内环境舒适性之间的关系。国内在室外环境监测系统和室内居住环境治理上有了一定的研究，而对室内居住环境监测系统方面的研究则很少。后来我国有人又对相关技术进行理相应的改造，通过大量部署的物联网感知装置，不断完善相关技术，为云计算服务平台建立室外空气质量监测预警系统提供数据收集功能，并整合物联网技术。研究内容及方法研究内容本文主要的研究内容包括监测用户家中的温度的高低、干湿程度、甲醛含量、光照强度、噪声强度等问题，并及时向用户提供反馈，帮助用户获得一个更加舒适，安全的居住环境，同时也减轻了用户的工作量。需要解决的主要问题包含:数据的采集监测、数据的存储、向用户提供反馈三方面，数据采集方面难点在于如何去采集用户家中的这三项指标;数据监测方面难点在于对于用户家中的数据监测的时长间隔,如果长时间处于监测状态，那么能耗是一个必须要考虑到的问题。另一方面如果间隔时间过长，又可能出现反馈不及时的现象;向用户提供反馈方面则是通过什么样的方式向用户提供反馈。其中数据采集是主要问题，是本课题的难点也是重点。在本课题开发的程序中，数据库选择的时MySQL的数据库和Android原本配备的内存极小的数据库SQLite。MySQL这种数据库普遍使用在存储数据多的软件上，存储效果会较好等。研发方法（一）文献研究法根据选定的毕业设计所研究的课题题目，去学校图书馆通过查找书籍、在网上搜索查阅相关的期刊文献来分析课题需求以及后续工作如何展开。了解该系统应该怎样设计架构、具备什么功能以及怎么实现等问题（二）功能分析法通过前期的知识准备，将要实现的功能列举出来，画出功能模块图，数据流图等，完成数据库表的设计，分析系统的可行性。最后形成软件需求报告。（三）实验法在系统开发过程中，通过实验模拟各个角色，对系统的可用性和完整性进行评估，以确保系统有良好的用户体验。系统开发技术路线当下这个时候，系统的开发内部整体的架构分为C/S(客户端/服务器)和另一个B/S(浏览器/服务器)两种。C/S架构中，客户端将用户请求提交给服务器，服务器接收到客户端的数据后将处理后的结果再返回至客户端，由客户端将结果以特定的形式显示给用户，C/S架构图如图1.1所示。图1.1系统开发架构图C/S架构通过利用两端硬件的优点，可以将任务合理分配到客户端与服务器来实现，降低系统的通讯开销，需要安装专用的客户端软件。同时，C/S架构可以充分发挥客户端终端设备的处理能力，很多工作可以在客户端进行处理再提交至服务器，可以降低服务器的负荷，提高响应速度，对数据的储存管理功能较为透明。C/S架构拥有丰富的操作界面，具有更高的安全保证，通常运用在局域网中，响应速度更快。论文的组织结构本文从软件开发生命周期的角度阐述了系统开发过程，首先介绍了项目开发背景、意义及国内外应用现状，然后简单介绍了系统的研究方法，以及系统开发的基本技术路线，再详细介绍采用具体技术及开发工具，接着重点论述系统数据库设计、系统功能模块的设计与实现过程，最后做系统测试以及总结和展望。共分为六部分，具体内容安排如下:第一部分：引言。介绍系统开发背景及意义、国内外应用现状、研究内容及方法，并概述系统开发技术路线以及论文组织结构等内容。第二部分：系统开发架构及相关开发技术环境介绍。主要介绍开发系统用到的相关技术等，从开发实际所需情况分析，选择适宜环境、工具等。第三部分：系统数据库设计。先对数据库整体结构设计进行概述，再对各数据库表进行详细分析并设计。第四部分：系统功能模块设计与实现。从设计目标、功能模块设计等方面对系统进行概要设计分析，并画出了系统功能结构图，再介绍详细的功能模块，并实现。第五部分：系统测试。按照测试计划对系统进行测试。第六部分：参考文献及结束语。罗列有关引用文件，并总结系统功能和优点，对软硬件介绍及连接做出进一步总结，并对系统后续工作进行展望。第七部分：致谢和附录。对本篇论文提供过帮助的老师、同学和亲人表示感谢，附录中展示了我编写的代码及有关程序，便于老师批阅。2系统开发架构及相关开发技术环境介绍2.1系统软件架构概述本课题研究的系统选择的时MVP的架构，视图层是在安卓六大布局的基础上进行研发的，选择的是XML进行设计相关的功能页面。通过每一个模块里面的Activity开始进行控制层的开发。凭借SQLite数据库和云数据库当做存储库。把系统在安卓操作系统的上面开展运行，相关架构如图所示。2.1.1MVP系统架构MVP体系结构分为三个层次，活动和片段被认为是用于管理UI用户界面的显示层Presente是一个调用接口逻辑和请求Java的业务处理层，这是一个纯的Java类，不涉及任何没有关系的业务逻辑层，在Model层里有清晰的数据相关请求，数据源头跟这三个层次的运用顺序是View优于Presenter优于Model，为了数据的安全绝对不可以反向进行调用，而且不可跨级调用。用户发送登录请求，在View层首先进行数据验证，然后在Activity中完成用户名和密码的验证，处理数据后，用DBUtil工具类操作数据库，将所需数据进行层处理，然后进入试行层系统的时序图如图所示。2.1.2MVP架构应用实例介绍大多数MVP模式的示例都使用登录案例进行介绍。因为这样非常简单易用，而且可以呈现出MVP模式的特点。今天我们也以此例进行学习。使用MVP的好处之一就是模块职责划分明显，层次清晰。该例的结构图即可展现此优点。从图片中我们能够发现，MVP是有三个层次组成的，view层里面封装了系统进行登录的一个抽象接口。然后在在对应的登录接口去实现接口：View层实现Presenter层需要调用的控件操作，方便Presenter层根据Model层返回的结果进行操作View层进行对应的显示。Presenter是用作Model和View之间交互的桥梁。从上图的包结构图中可以看出，Presenter包含内容：①接口，包含Presenter需要进行Model和View之间交互逻辑的接口，以及上面提到的Model层数据请求完成后回调的接口。②接口实现类，即实现具体的Presenter类逻辑。当Model层得到请求的结果，需要回调Presenter层，让Presenter层调用View层的接口方法。登陆的Presenter的接口，实现类为LoginPresenterImpl，完成登陆的验证，以及销毁当前view。由于presenter完成了二者的交互，那么肯定需要二者的实现类（通过传入参数或者new）。presenter里面有个onSuccess，其在Presenter层实现，给Model层回调，更改View层的状态，确保Model层不直接操作View层。View和Model不直接交互，而是将“Presenter”用作View和Model之间的桥梁。其中，“Presenter”既包含对View层接口的引用，又包含对Model层的引用，而“View”层包含对“Presenter”层的引用。需要在View层界面中显示特定数据时，首先调用对Presenter层的引用，然后Presenter层调用Model层请求数据，如果Model层数据加载成功，则调用Presenter层的回调方法通知加载Presenter层数据，最后调用View。2.2系统硬件及协议介绍2.2.1UP-Magic210Linux价格便宜，性价比高，在X86、Alpha、Sparc、MIPS、PPC、MOTOROLA、NEC、ARM等硬件平台上可以工作，可开源，或定制。介绍的硬件平台基于ARM架构，是由于索契科技有限公司开发的up-magicwizards开发的一款面板，采用三星S5PV210嵌入式微处理器方便运行linux2.6.x和Linux2.3.x内核，支持QT/E、miniGUI等嵌入式图形界面。它不仅适合作为计算机、软件等方面的硬件。，也可参考PDA、智能手机和PMP的许多制造商和科研机构来进行设计。bochuangtechnology推出的嵌入式系统助手工具包UP-Magic210采用了基于Samsung的最新S5PV210嵌入式微处理器。S5PV210是32RISC微处理器，具备低成本、低耗电量及高效能等优异品质，适用于行动电话及广泛的应用程式开发。大脑皮层-A8核与ARM整合。S5PV210采用64位内部总线结构，可为3G和3g通信服务提供卓越的性能。s50v210还包含许多强大的硬件，可提高各类任务执行速度，例如音频处理、动态视频处理、二维图形、显示和缩放等方面。它集成了多格式编解码器(MFC's)，并支持MPEG-1/2/4、H.263和H.264编码和解码以及VC1和Divx编码和解码。H/W编码器支持NTSC和PAL模式下的实时视频会议和电视输出。对网络监听有自己的设备（详见说明书三十一章）。其中我需要重点使用温湿度传感器、光照传感器、紫外线传感器、烟雾传感器、大气压传感器和网络监控协议等模块，如果遇到突发状况设备使用失灵，则可换用自行购买的传感器模块代替。2.2.2通讯协议本系统的PC机、网关、协调器和节点采用统一的通信协议，数据都为小端模式，具体协议格式如下：位置位置信息长度（字节）数据信息备注0包头20xAABB2长度（Len）2长度包括包头和校验和4设备类型26网络号20xFFFF8短地址2010命令111数据数据可变Len-1校验和累加和前10个字节为基本数据，为固定内容或者节点的对应数据，在之后的指令描述中，不在重复对基本的数据进行说明。具体节点如下表所示：位置位置信息长度（字节）数据信息备注10命令1211节点数1最多21个12节点列表数据节点数*7设备类型（2字节）网络号（2字节）短地址（2字节）在线状态（1字节）每个节点有7字节的信息Len-1校验和累加和采集类节点只有上行数据，命令为0x1e，十进制30。采集的数据说明如下：节点名称Data字段长度说明气压计2字节真实值放大10倍。[80.0-200.0]Kpa光照度2字节数据不放大。[0-65535]lx温湿度4字节温度和湿度各占2字节，有符号类型，真实值放大10倍。温度[-40.0-120.0]℃湿度[0.0-100.0]%RFID4字节卡ID，显示的时候用十六进制显示HCHO&CO22字节数据不放大。CO2[400~5000]ppmHCHO[0~400]ppbO21字节真实值放大10倍。(0.0-25.0)%VOL噪声2字节真实值放大10倍。[0.0-120.0]dB报警类节点只有上行报警指令，命令号为0x14，十进制20。报警指令如下：AABB0D00E204D007000014003A收到命令号为0x14的数据，表示节点报警,数据0x00可忽略。2.3系统开发相关技术介绍2.3.1.开发语言Android系统平台的上层开发语言是主流的Java语言，强大的内存管理和垃圾回收机制给开发者带来了便利，使得开发者不必为系统的内存管理而耗费精力，能够更专注于业务功能的开发。正是因为本次选用的是Java语言进行开发，因此我们还应该配置Java开发运行环境。本次课题研究的程序开发使用的是JDK1.8的版本。2.3.2.AndroidSDK：Android.SDK(softwaredevelopmentkit)是国外的谷歌公司相应对应Android开发研发的配套的开发工具包，可以帮助开发者更高效的完成开发工作。本次系统开发使用的是SDK21版本,对应Android5.0版本，并且能够对更高版本进行兼容。用到什么用到了什么作用2.3.3.SQLite数据库：SQLite是继ACID之后的一个轻量级数据库和关系数据库管理系统，它包含在一个相对较小的C库中。这个系统只需要在移动安装系统上运行，不用联网就可以使用，所以有Android系统自带的SQLite数据库，而pocketSQLite也可以支持大量的数据存储，简单方便，不需要考虑网络问题就可以连接其他服务器的远程数据库。2.3.4.开发的工具：AndroidStudio:他是一个集成了所有Android开发环境的开发工具，使用的范围很广，此工具有效避免了以前类似的Eclipse+ADT的复杂配置。简化了开发流程。具有代码智能提示功能，提高了开发效率。AVDmanager:Android模拟器的管理工具，利用模拟器在Android系统上模拟软件运行，方便程序调试，使没有Android珍奇器的开发人员也能完成Android应用程序的开发。Sdkmanager:一种Sdk管理工具，用于管理AndroidSDK的更新和下载。SQLiteExpert:SQLite资料库视觉化工具，可让您更清楚地了解表格结构的设计。BMOB:BMOB云是国内第一个专注于移动应用程序服务器租赁云服务的平台，提供实时数据和文件存储功能，使“云与端”应